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$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$第-&卷增刊低温物理学报
用于射频谐振腔的纯铌热导率的测量
惠东
中国科学院电工研究所应用超导重点实验室，北京!"""#"!
铌材料的低温热导率是反映射频超导腔热稳定性的重要参数$一套新型的低温热导率
测试装置研制成功，该装置不仅可以测量纯铌材料的低温热导率，同时还能够测量铌材料的
临界超导温度和铌材料的剩余电阻率（%%%）并对铌$本文介绍该装置的原理以及实验结果，
材料的低温热导率与剩余电阻率（%%%）进行了分析$
关键词：热导率，剩余电阻率
!引言
基于纯金属铌材料的射频超导谐振腔其加速场理论极限值为&"’()*，但是目前研制
［!］出实际超导谐振腔的场强一般为!#+,&’()*$限制超导谐振腔加速场的机制主要是热
失超和场发射$热失超主要来自于超导体内的“缺陷”，在射频条件下，其阻抗的感性部分会产生射频电流穿过缺陷，并产生焦耳热$当缺陷的外边缘的温度超过临界温度!"时，缺陷周围的超导区域将变成正常态区域，如果累积的焦耳热不能及时通过超导谐振腔壁传送到超流氦中，最终将会导致整个超导腔体的热不稳定$超导体的热导率反映超导体中的热量传递能力重要参数，所以，它可以用来衡量谐振腔的热稳定性$
在制造超导谐振腔过程中，需要对铌进行多种高温热处理纯化工艺，以去除体内杂质缺陷，并提高超导谐振腔的整体性能$所以，每经过一次热处理工艺，都需要对腔体的表面剩余电阻率（%%%）进行测量，此外，还要对随腔工艺流程的铌样品进行热导率的测试$-测试系统的原理
一种新型的多功能测试系统已经成功开发出来，其结构如图!所示$这套系统不仅能够精确测量金属样品的低温热导率，还可以用于测试金属样品的超导临界温度!"和剩余电阻率（%%%）$
!$"热导率的测量
对热导率测量采用的是所谓稳态轴向低热流测量技术$其原理如式-.!
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（12$34!///"565"#）资助的课题$!国家/0,重点基础研究发展规划项目（-(!）
%*!低温物理学报!%卷
!表示样品热源的热功率，式!"#中，#为样品受测长度，%"!$表示受测长度之间的温差，表示样品的截面积$
从多功能测试系统中（图#）取走%或&支架中的一个，即可成为一个热导率测试系统，如图!所示$受测铌样品其尺寸一般为!$%&!$%&’())左右，铌样品棒固定在两个无氧高导铜块（%铜块和&铜块）之间，而冷铜块的%铜块通过铜棒支架连在杜瓦底部的冷铜块上，外壁与液氦接触$由图*所示，当测量出铌样品热源的加热功率以及样品相应的温差，即可算出样品在某一温度下的热导率
$
图#多功能测试系统结构图图!
热导率测试结构图
图*热导率测试系统的原理技术图
为了准确测量铌样品的热导率，测试系统采用了以下几个特殊措施，减小了测量误差：在样品温差测试点，采用两个不同类型的温度传感器（+,二极管和-,./01热敏电阻）#）
同时监测同一点的温度，从而减小了温测误差；
将每一个温度传感器、加热电阻的四个引线进行两次冷屏，然后通过超导线连到每个!）
传感器上，减小了冷源和热源的干扰；
采用了恒流源斩波技术，消除四引线法测量过程中对温度传感器引入的热电势误差$*）
原理如图2所示$
增刊惠东等：用于射频谐振腔的纯铌热导率的测量),,
图!消除偏置热电势的斩波技术原理图
由于采用了上述几项措施，使得热导率精确测试水平大大提高，从原来"#$以上的测量误差提高到%$以下&
!"!###的测量
金属的剩余电阻率（’’’）是反映金属纯度的参数，它的定义为
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（"()*）和!（!&"*）分别为金属在"()*和!&"*时的电阻率&其中，!
由于铌的超导临界温度为(&"+*，在不加外场的情况下很难测得铌在!&"*时的电阻率&一般是测量铌在(&,*即在其进入超导态之前的电阻率，然后利用公式"-,算出’’’结［"］果
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由图/，测量系统的温控装置可以精确控制样品的温度，进而利用四点法可以测出常温下和(&,*时铌样品的电阻率&
!"$超导临界温度!"的测量’’’!
测量系统采用的温度传感器012345热敏电阻在/#*以下测温精度为,6*，温控系统可以确保在热平衡时温控精度达到)6*&因此，该系统能够以)6*的精度测量出铌样品的超导临界温度&铌样品从正常态向超导态转换是在一个温度间隔内完成的，即经过一定的温度
测量铌的转变宽度可以转变宽度!%&&由于!%&的大小与铌样品的纯度和结构等性能有关，
作为判别铌样品性质的一个参考值&
,热导率的测量
利用测系统对大量的铌样品进行了热导率测试，图)所示是不同’’’的铌样品在/&+*7/#*之间的热导率测试结果&
从中可以看出，其热导率越高&在低温正常态下，电子对’’’越大即铌样品纯度越好，
热导率的贡献是主要的，而声子的贡献几乎可以忽略&然而，进入超导态后电子对热导率的贡献会随着温度%的下降而迅速减小，因为电子凝聚成库柏对后就不再传输热量&进而，由于几乎很少有电子会限制通过声子散射产生的晶格热导率，晶格的热导率在超导态下上升&
!$,低温物理学报’!卷
图!不同"""值铌样品的低温热导率
声子在超导态下成为热导率的主要部分#显然，如果金属中的杂质越少，声子受到散射的几率越小，其热导率相对越高#文献［$］中曾建立"""与热导率之间的关系，并给出公式（$%&）#但是由该公式推算出的热导率与实际测量结果有较大出入
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,结论与展望
金属的低温热导率主要受声子行为"""可以作为一个重要反映金属纯度的整体性能，
的影响，它的大小除与金属内杂质含量有关外，还与金属纯化过程的工艺背景有关#单从金属的"""值不能准确地推算出其热导率，因此，要了解纯-.谐振腔地热稳定性，需要对铌样品地热导率进行准确测试#目前我们开发出的新型测试系统可以准确测量铌金属棒材的热导率，测量误差小于/0#
根据已经测试的实验数据，我们还发现有许多铌样品的"""相同，但其热导率却相差较大，进一步对样品的超导转换温度宽度进行测量，发现热导率越大，相应的样品超导转换温度宽度的越小#对转换温度宽度与热导率之间量化关系，需要进行的进一步实验研究#［&］
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临界超导温度和铌材料的剩余电阻率（%%%）并对铌$本文介绍该装置的原理以及实验结果，
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关键词：热导率，剩余电阻率
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基于纯金属铌材料的射频超导谐振腔其加速场理论极限值为&"’()*，但是目前研制
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热导率测试结构图
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声子在超导态下成为热导率的主要部分#显然，如果金属中的杂质越少，声子受到散射的几率越小，其热导率相对越高#文献［$］中曾建立"""与热导率之间的关系，并给出公式（$%&）#但是由该公式推算出的热导率与实际测量结果有较大出入
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根据已经测试的实验数据，我们还发现有许多铌样品的"""相同，但其热导率却相差较大，进一步对样品的超导转换温度宽度进行测量，发现热导率越大，相应的样品超导转换温度宽度的越小#对转换温度宽度与热导率之间量化关系，需要进行的进一步实验研究#［&］
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